计时器部件的制作方法

本发明涉及一种由易碎材料，特别是硅制成的计时器部件。本发明还涉及一种计时器机芯，并且涉及一种包括至少一个这样的计时器部件的钟表，特别是手表。

背景技术：

硅是在计时器部件制造中具有众多优势的材料。一方面，其允许以微米精度同时制造大量小型零件。另一方面，其具有低密度和抗磁性。但是，这种材料确实有一个缺点：其具有很小或没有塑性变形区，因为其实际上是一种较脆的材料。机械应力或冲击可能导致部件破裂。由硅制成的计时器部件的这种脆弱性由于通常通过深蚀刻技术将它们从硅衬底上切割下来而得以增强，深蚀刻技术例如为深反应离子蚀刻(drie)。这种蚀刻的一个特殊特征是，它形成了一些开口，这些开口的侧面有细微的凹槽，因此被蚀刻的表面呈现出呈波纹形式的不平坦性，称为“扇形”。这意味着被蚀刻的侧面具有一定的粗糙度，从而降低了部件的机械强度。此外，缺乏平整度可能会产生裂纹萌生源，特别是在机械应力的情况下，并且会导致部件损坏。如果由硅制成的计时器部件在计时器机芯中破裂，则结果不仅是该计时器机芯不再起作用，而且源自破裂的计时器部件的大量硅屑会通过计时器机芯散落。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种计时器部件，其不具有现有技术的缺点。

更具体地说，本发明的第一个目的是提出一种计时器部件，如果其破裂，不会产生大量的散落碎屑。

为此，本发明依赖于基于易碎材料的计时器部件，其中所述部件包括易碎材料表面的至少一部分，该易碎材料表面覆盖有涂层，该涂层包括至少两层弹性材料，这两层弹性材料由比弹性材料更坚固的材料层cr隔开。

本发明更具体地由权利要求书限定。

附图说明

本发明的这些目的、特征和优点将在以下通过非限制性示例的方式结合附图对特定实施例的后续描述中详细阐明，其中：

图1示意性地描绘了根据本发明的第一实施例的计时器部件的截面。

图2示意性地描绘了根据本发明的第二实施例的计时器部件的截面。

图3描绘了根据本发明实施例的由覆盖有涂层的易碎材料制成的试样在其破裂时的照片的放大图。

图4描绘了根据本发明实施例的由易碎材料制成的试样在破裂时的照片的放大图，类似于图3，但是没有涂层。

图5描绘了在各种批次的计时器部件上获得的强度，证明了通过实施本发明的实施例获得的积极结果。

具体实施方式

如上所述，本发明特别涉及基于易碎材料的计时器部件，即易于破裂并产生大量碎屑的碎片，这些碎片脱离计时器部件而通过钟表运动而散落。因此，易碎材料可以理解为是一种非延性材料，该材料会断裂而不会事先发生剩余的塑性变形。这种材料优选是可微加工的，即从涉及光刻的微制造技术获得。本发明特别适合于任何形式的硅，例如包括掺杂的或多孔的硅，但是作为替代也可以适用于其他材料，例如金刚石、石英、玻璃、碳化硅、氧化铝基或氧化锆基陶瓷、易碎的非晶态金属或蓝宝石。这种计时器部件可以由所述易碎或脆性材料完全或几乎完全形成，除了其细涂层之外，这将在下文中描述。替代地，计时器部件可以基于这种材料，即按重量计包含至少51％的这种材料，或甚至包含至少80％的这种材料。因此，它可以是具有脆性或脆性作用的混合材料。通过滥用语言，术语“易碎材料”在本文中将用于表示计时器部件的整个核心，包括可能不直接由计时器部件所基于的易碎材料制成的所述核心的这些部分。

本发明的概念是用多层涂层覆盖计时器部件的至少一部分表面，优选地覆盖计时器部件的牵引区域中应力最高的表面，该多层涂层包括至少两层弹性材料，至少两层弹性材料由一层比弹性材料更坚固的材料分隔开。这样的涂层在计时器部件上形成保护层，以通过将各个碎片保持在一起来防止碎片在部件破裂的情况下散落。在涂层基本上在计时器部件的整个周边上或在将受到变形的应力的区域上延伸的情况下，认为这种涂层封装了计时器部件。

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的计时器部件1。计时器部件1包括由硅制成的主体积或芯2，其例如源自从硅晶片切割的步骤。它另外包括涂层10，该涂层在其整个外表面上，在其整个外围上，特别是在其芯2的外围上延伸。根据将在下文中详细描述的一种有利的制造方法，该外表面为：通过切割晶片形成，主要具有三个表面。第一表面3基本上是平面的，并且对应于被切割的晶片的上表面。基本上平坦且平行于第一表面3的相对的第二表面4对应于被切割的晶片的下表面。最后，第三表面5形成侧面，该侧面连续地连接上述两个表面3、4。

涂层10是多层涂层，其包括与计时器部件1的硅芯2接触的第一层ce，该第一层ce由弹性材料制成。它包括由相同弹性材料11制成的第三外层ce。这两层被由较硬材料12制成的第二层cr隔开。在该第一实施例中，层ce由聚对二甲苯制成，层cr由使用ald沉积的氧化铝制成。

图2示出了第二实施例，该第二实施例与第一实施例的不同之处在于，由更坚固的材料12，由氧化硅制成的涂层的中间层cr在侧面5处具有可变的厚度。此外，中间层的厚度在第一和第二表面3、4上保持恒定，该厚度在第一表面3上大于在第二表面4上。弹性材料11的两层ce完成该中间层以形成恒定厚度的总涂层。在该第二实施例中，层ce由聚对二甲苯制成，而层cr由使用pvd沉积的氧化硅制成。

在图1和图2中，涂层10的厚度未按比例显示。为了更好地可视化实际上非常好的该涂层，特意对它进行了强调。其厚度e易于在一定范围内变化。通常，涂层10包括至少一层由弹性材料11制成的层ce，其厚度大于或等于0.05μm，或甚至大于或等于0.3μm。涂层10还有利地包括厚度小于或等于5μm，或甚至小于或等于3μm的弹性材料11的至少一层ce。最后，涂层10的弹性材料的各个层ce的厚度之和有利地大于或等于0.1μm，或甚至是0.6μm，和/或小于或等于20μm，或甚至是小于或等于12μm。注意，弹性材料11的各个层ce可能具有或可能不具有相同的厚度。该厚度可能是可变的，也可能不是可变的。

此外，涂层10的更坚固的材料12的层cr的厚度大于或等于15nm，或甚至大于或等于30nm。涂层10还有利地包括厚度小于或等于150nm，或甚至小于或等于100nm，或甚至小于或等于70nm的更坚固的材料12的层。最后，更坚固的材料12的各个层cr的厚度之和大于或等于15nm，或甚至大于或等于30nm，和/或小于或等于450nm，或甚至小于或等于300nm，或甚至小于或等于210nm。

作为补充，涂层10的材料可以与所述实施例中使用的材料不同。在任何情况下，弹性材料11的弹性模量都小于或等于10gpa，或甚至小于或等于5gpa，或甚至小于或等于3gpa。作为替代或补充，弹性材料11的断裂伸长率(elongationatbreak)大于或等于10％，或甚至大于或等于20％，或甚至大于或等于30％。因此，该弹性材料11可以是聚对二甲苯或可替代地是ptfe、丙烯酸树脂、硅树脂或聚氨酯族的聚合物。一个相同的涂层10的弹性材料11的各个层可以由相同的弹性材料或不同的弹性材料制成。

此外，与被称为“弹性”的材料的强度相比，更坚固的材料12被称为“更坚固”。其具有大于或等于30gpa，或甚至大于或等于45gpa，或甚至大于或等于60gpa的弹性模量。可供选择的，其弹性模量介于计时器部件的芯的易碎材料的弹性模量与弹性层的弹性材料的弹性模量之间。有利地，其弹性模量大于或等于弹性材料11的相邻层增加了50％后的弹性模量。因此，本发明可以用分别被称为“弹性”和“更坚固”的任何一对材料来实施，这是由它们的弹性模量的差异来定义的，更坚固的材料的弹性模量大于或等于至少一个相邻弹性材料层增加了50％后的弹性模量。该更坚固的材料12可以是金属或合金或石墨或氧化物，更特别地是氧化硅或氮化硅。一个相同涂层10的各个更坚固的材料12的层可以由相同的材料或不同的材料制成。

自然地，本发明不限于所描述的实施例。因此，涂层10可以包括除了所描述的三层之外的任何其他数目的层。例如，其可以包括至少两层，或甚至至少三层或四层弹性材料11，以及至少一层或甚至至少两层或三层更坚固的材料12。为了限制对部件的尺寸和性能方面的影响，其有利地包括最多四层弹性材料11和最多三层更坚固的材料12，但是可以包括更多。其有利地包括交替的弹性材料层11和更坚固的材料层。更有利地，其包括第一内部弹性材料层11和最后外部弹性材料层11。形容词“内部”和“外部”用于表示从计时器组件1的芯2指向计时器组件1外部的任何方向。

本发明尤其有利于计时器部件1选自齿轮、擒纵轮、手柄、冲击销、擒纵叉(pallet)、杠杆、叉瓦钻、平板弹簧，例如，螺旋弹簧、柔性叶片系统或具有弹簧功能的其它部件。

图3和图4示出了弹性材料层11在由硅制成的计时器部件1上的特定效果。图3示出了根据图2所示的第二实施方式的覆盖有涂层的硅试样的破损。图4通过比较示出了没有涂层的相同氧化硅试样的破损。如图4所示，大量的碎屑22散落。相比之下，如图3所示，覆盖根据第二个实施方案的层的相同的试样能够防止碎屑的散落。使用多层聚对二甲苯层的第一个优点是涂层的效果更加可靠：如果一层损坏，理论上可以通过另一层保证效果。此外，至少一层聚对二甲苯不与外部直接接触，并且通过涂层的至少一层更加坚硬的层保护其免受潜在的外部侵蚀。

根据本领域技术人员已知的方法，对通过drie切割从硅片上切割而得的硅试样进行了比较弯曲试验。注意，从一个相同的计时器部件到另一个在理论上承受相同应力载荷的部件，由于材料的易碎性质，对一个相同的试样进行相同的处理会导致结果不同。因此，有必要对一批相同的试样进行测试，然后进行统计分析以确定是否存在效果。

从六个不同批次的试样获得的结果如图5所示。测量了每个批次的每个部件(试样)在纵轴上指示的抗弯强度。该图特别示出了每批的平均最小和最大断裂强度。

前两批oxy1和oxy3涉及30个包含氧化硅的试样，在其表面分别具有1μm和3μm的厚度的氧化硅层。这两个批次的弯曲强度的平均值约为2000mpa。此外，万一发生破裂，所有这些试样都会产生大量散落的碎屑。

接下来的两个批次对应于类似于oxy3批次的试样，但分别覆盖有纯的、单层且均匀的聚对二甲苯涂层，厚度分别为0.5μm和5μm。出乎意料的是，添加这种低强度弹性材料涂层可以显着提高试样的断裂强度。具体地，平均强度为约5000mpa。

第五批对应于由覆盖有金属涂层的硅制成的试样，该试样包括厚度为15nm的钛粘结层和80nm的金层。与前两批相比，这种坚固的涂层可以使平均强度略有提高，但明显低于使用聚对二甲苯涂层的两批。此外，当试样破裂时，这样的涂层不能保持在碎片上。

最后，最后一批对应于本发明的第二实施方案，其包括涂层，该涂层由四层约1μm的聚对二甲苯和三层厚度为0.01μm的氧化硅中间层交替构成，总涂层厚度介于3.7至4.7μm之间。该批次的平均强度似乎超过6000mpa，最小值高于4000mpa：因此，本发明使得优化计时器部件的强度成为可能。因此，本发明还涉及具有平均强度大于或等于6000mpa和/或最小强度大于或等于3000mpa，或甚至大于或等于4000mpa的计时器部件。此外，本发明使得限制碎屑的散落成为可能。

最后，将柔性材料(如上文所定义的弹性材料)与更坚固的材料(同样如上文所定义)相结合的涂层使得两种材料之间的协同作用得以使用，不仅是为了解决防止在发生破裂情况下碎片散落的技术问题，这是弹性材料提供的有效保护作用，但同时也使优化计时器部件的强度成为可能，特别是通过在涂层10的厚度范围内添加比弹性材料更强的材料。这种高度有利的行为是不可预见的，因此令人惊讶。

本发明还涉及一种钟表机芯和一种钟表本身，其包括如上所述的一个或多个计时器部件。

根据本发明的制造计时器部件的方法包括以已知方式制造粗糙形式的计时器部件的第一阶段。例如，该第一阶段可以包括获取由易碎的可微加工材料制成的基片的初始步骤。该基片例如为硅晶片。在随后的步骤中，该晶片，特别是其称为上表面和下表面的两个面中的至少一个覆盖有保护涂层，例如覆盖光敏树脂。该方法继续进行在保护涂层中形成图案的步骤。通过产生穿过光敏树脂层的开口来产生图案。形成开口的保护涂层构成保护掩膜。通过保护掩模蚀刻硅晶片的步骤，特别是使用深反应离子蚀刻(drie)，然后允许在硅中形成与掩模的一个或多个开口一致的开口，从而获得由硅制成的计时器部件的粗糙形式。可供选择的，可以通过除上述方法之外的任何方法，例如使用激光切割技术，来形成这种粗糙的计时器部件形式。所获得的粗糙形式形成了计时器部件1的芯2。其形状非常接近最终计时器部件的形状。

本发明涉及第二制造阶段，该第二阶段包括在所述粗糙形式的全部或部分表面上沉积如上所述的涂层。

沉积涂层的步骤是通过交替沉积弹性材料层和更坚固的材料层来进行的。

该沉积步骤可以通过蒸发、cvd或ald均匀地进行。可供选择的，其可以使用定向技术来执行，例如物理气相沉积，也称为其缩写pvd，或等离子体增强化学气相沉积，也称为其缩写pecvd技术。在这种情况下，涂料与第一表面3成直角地被引导到第一表面3上。这种定向方法使得可以达到图2的第二实施例。

该制造方法可以在沉积涂层的步骤之前包括中间步骤，其在于使计时器部件的粗糙型的表面热氧化和/或光滑化的步骤。因此，根据本发明在沉积涂层之前，计时器部件的芯2可以覆盖有氧化层，例如氧化硅。